에너지 단위
에너지의 SI 단위는 줄(joule, J) 이며, 이것은 일과 열에 관해 연구한 영국의 과학자 James Joule을 기념하기 위한 것이다. 1J=1kgm2/s2이다. 줄은 큰 단위의 에너지가 아니기 때문에 보통 화학 반응과 관련된 에너지를 논할 때는 종종 킬로 줄을 사용한다. 전통적으로 화학 반응에 수반되는 에너지 변화는 SI 단위가 아닌 칼로리로 표시해 왔으며, 아직도 화학, 생명과학, 생화학 분야에서 사용되고 있다. 예전이 칼로리(carlorie)는 물 1g의 온도를 1도씨 올리는 데 필요한 에너지의 양으로 정의해왔따. 지금은 칼로리를 줄의 단위로 정의하고 있다. 영양학과 관련하여 사용하는 에너지 단위는 영양 칼로리이다.
계와 주의
에너지 변화를 분석할 때는 에너지 변화가 일어나는 것을 추적하기 위해 우주의 어떤 제한되고 명확히 정의된 부분에 초점을 맞출 필요가 있다. 이때 연구를 위해 선택된 부분을 계(system)라고 하고, 그 외의 모든 다른 부분은 주위(surrounding)라고 한다. 실험실에서 화학 반응에 수반되는 에너지 변화를 연구할 때 반응물과 생성물은 계를 이루고, 반응 용기와 그 바깥의 모든 것은 주위로 간주된다. 계는 열려 있거나 닫혀 있거나 고립된어 있을 수 있다. 열린계는 물질과 에너지가 주위와 교환될 수 있는 계이다. 그림과 같이 난로 위의 끓는 물이 담긴 뚜껑 없는 그릇은 열린계이다. 즉, 열이 난로에서 계로 들어오고, 물은 증기가 되어 주위로 방출된다.
열화학에서 가장 쉽게 연구할 수 있는 계는 닫힌계이며, 이 계는 주위와 에너지는 교환할 수 있지만, 물질은 교환할 수 없다. 예를 들어 피스톤이 장착된 실린더에 들어 있는 수소 기체와 산소 기체의 혼합물을 생각해 보자. 수소와 산소느 계이고, 실린더와 피스톤을 포함하여 그 외의 모든 것은 주위이다. 이 기체들이 반응하여 물을 생성하면 에너지가 방출된다
계에 있는 수소 원자와 산소 원자의 화학적 형태는 이 반응에 의해 변하였지만, 계는 질량을 얻거나 잃지 않았다. 이것은 계가 주위와 어떠한 물질도 교환하지 않았음을 의미한다. 그러나 이 계는 주위와 일과 열의 형태로 에너지를 교환할 수 있다.
고립계는 주위와 에너지와 물체를 모두 교환할 수 없는 계이다. 뜨거운 커피를 담고 있는 단열 보온병이 고립계에 가깝다. 그러나 커피는 결국 식을 것이며, 따라서 이 계가 완벽하게 고립된 것은 아니다.
에너지 이동 : 일과 열
일상생활에서 경험하는 에너지 변화의 두가지 방식은 일의 형태와 열의 형태가 있다. 에너지가 투수의 어깨에서 공으로 이동하면서 일이 행해지는 방식은 투수가 공을 던질 때 행해지며, 공은 플레이트를 향해 빠른 속도로 움직이게 된다. 에너지가 열의 형태로 변환되는 경우도 있다. 힘에 반하여 물체를 움직이게 하는 것과 온도를 변하게 하는 것은 에너지가 계의 내부로 또는 외부로 이동할 수 있게 하는 일반적인 두 가지 방식이다.
힘이 물체를 움직일 때 전달된 에너지를 일, w라고 정의한다. 힘이란 물체에 가해진 밀기 또는 당김이다. 일의 크기는 힘과 물체의 이동 거리를 곱한 값과 같다.
예를 들면 중력에 반하여 물체를 들어 올릴 때 일을 하게 된다. 만약 그 물체를 계로 정의한다면, 주위의 한 부분으로서 계에 대해 일을 행하는 것이며, 에너지를 계에 전달하는 것이다. 에너지를 전달하는 다른 방법은 열로 나타나는 것이다. 열은 더 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동하는 에너지이다. 천연 가스를 태우는 연소 반응은 여료 분자에 저장된 화학 에너지를 방출하는 것이다. 반응에 관여하는 물질들을 계로 정의하고, 그외의 모든 것을 주위로 정의하면, 방출된 에너지가 계의 온도를 증가시켰음을 알 수 있다. 열의 형태인 에너지가 뜨거운 계에서 차가운 주위로 이동한 것이다.
에너지 이동의 설명과 계산
예제1. 5.4kg의 볼링공을 지면으로부터 1.6m높이로 들어 올렸다가 떨어뜨렸다. 볼링공을 들어 올릴 때 그것의 퍼텐셜 에너지는 어떻게 되는가? 공을 올렸을 때 사용된 일의 양은 J단위로 얼마인가? 공을 떨어뜨리면 공은 운동 에너지를 얻는다. 공이 지면에 부딪히는 순간에 수행된 일이 모두 운동 에너지로 전환된다고 가정하면, 공이 지면을 때리기 바로 직전의 속도는 얼마인가?
분석
볼링공의 퍼텐셜 에너지와 지면으로부터의 높이를 연관시킬 필요가 있다. 또한 공의 퍼텐셜 에너지 변화와 일 사이의 상호관계를 정립해야한다. 마지막으로, 공이 바닥에 떨어질 때의 퍼텐셜 에너지 변화와 공이 얻는 운동 에너지를 연결시켜야 한다.
